基于改进多尺度算法的微纳米边界滑移特性研究

发布时间：2020-11-04 09:40

　　 滑移现象在微/纳机电系统中普遍存在,对于微/纳机电器件的设计及应用是不可忽视的因素之一。本文采用改进的分子动力学与连续介质力学耦合的分区算法研究了微纳米流动下的滑移特性。主要内容包括:(1)研究了空间与时间耦合参数、连续区域向分子区域传递边界的方案对于分区耦合算法精度的影响。结果发现耦合区域高度、A→C区域高度以及时间耦合参数均需取适中的参数,过大或者过小均会影响分区耦合算法计算精度,而C-A区域高度在保证缓冲区域存在的情况下,取值越大,计算精度越高;最小约束动力学方法耦合方案模拟的结果精度最高、松弛动力学方法耦合方案其次,麦克斯韦缓冲方法耦合方案最差。此外,本文还提出了解决非周期边界效应的边界力模型,采用此模型能够很好模拟缺失的边界力,并且易于扩展至多维。(2)运用改进的分区耦合算法研究了通道高度、固液相互作用参数对于滑移特性的影响。结果发现随着通道高度的增加,相对滑移长度明显下降最终降为零,但是不管通道高度如何改变,固液表面滑移的特征始终不会改变,同时,随着通道高度的增加,在固体表面附近液体粒子的分布曲线幅值降低,震荡变小;随着势能阱深度之比增加,固液界面从疏水表面转变为亲水表面,在此过程中,靠近固体粒子附近的液体粒子排布变得更加规则,并且出现的概率明显增加,当固液粒子的直径一致时,相对滑移长度达到最小值;不管固液相互作用参数如何变化,相对滑移长度和剪切速率始终存在某个线性关系。此外,相比较单纯分子动力学方法,分区算法能够极大地减少计算量。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O33
【部分图文】：

１．１研究背景??近些年来，微／纳机电系统（ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ）随着科学与技术的进步而迅速??发展，它是具有微米、纳米尺度，采用微型集成电子的工艺集成、加工得到的微??型器件（Ｈｏ?ｅｔ?ａｌ．，１９９８，?Ｃｒａｉｇｈｅａｄ，２０００，?Ｇａｄ－ｅｌ?ｈａｋ，?１９９９）。ＭＥＭＳ?／?ＮＥＭＳ?器件??因具有尺度小、高集成度等优点而被广泛应用于生物医学、航天航空以及其他工??程等领域，比如：带有热交换器的冷却电子电路器件（Ｌｅｇｉｅｒｓｋｉｅｔａ丨．，２００１）（如??图１．１（３）），带有微型反应器的分离生物细胞器件汗１１丨＼＾丨￡１＇，丨９６５）（如图丨．］〇５）），??使用电泳进行浓度控制的微米器件（Ｍａｖｒｏｇｉａｎｎｉｓ?ｅｔａｌ．，?２０１６）（如图１．１（ｃ）），质??子交换膜燃料电池（Ｐｅｉｇｈａｍｂａｒｄｏｕｓｔｅｔａｌ？，２０１０）（如图ｌ．ｌ（ｄ））等。这些ＭＥＭＳ／??ＮＥＭＳ器件大部分都处于液体的工作环境，所以研宄微纳米尺度下的液体流动??特性对于改善、优化这些ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ器件的性能具有重要的意义。??随着系统特征尺度的减小，微纳米液体流动特性往往与宏观流动存在很大的??差别，当系统的特征尺度从米量级下降到纳米量级时，流体的流动会被限制在远??离壁面附近的一层边界里（Ｙａｎｇ?ｅｔ?ａｈ，?２０１０），表面力与体积力的比值会发生本质??

来正确描述，所以研宄微纳米液体边界的滑移特性对于设计以及优化ＭＥＭＳ?／??ＮＥＭＳ器件有重要的意义，并且受到国内外专家学者的普遍关注。??图１．２展示了不同特征尺度下的模拟方法，可以发现分子动力学模拟方法是??研宄微纳米流动特性的有效方法（Ｂｒｏｏｋｓ，?１９８９，?Ｌａｕｇａｅｔａｌ．，２００６，Ｎｅｔｏｅｔａｌ．，?２００５），??但是一些ＭＥＭＳ?／?ＮＥＭＳ器件往往同时存在微米和纳米等多种尺度，当系统的??特征长度尺度大于ｌＯＯｎｍ，特征时间尺度大于１００ｎｓ时，考虑到计算时间以及??计算成本，分子动力学方法甚至是并行的分子动力学方法都不是一个很好的选??Ｓ?（Ｙｅｎ?ｅｔ?ａｌ．，?２００７，?Ｍｏｈａｍｅｄ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１０，?Ｔｒｏｕｅｔｔｅ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１６）〇?Ｓｃｈｏｃｈ?ｅｔ?ａｌ．?（２００８）??发现连续性假设在ｌＯＯｎｍ至１００／／ｍ之间仍能够满足，但是如果小于这个尺度，??连续性假设则失效。另外，一些微观才会出现的特性，比如边界滑移，往往只会??发生在靠近壁面的小部分区域

．２边界滑移特性的研究现状??固液之间的边界条件的研宄可以追溯到二百多年前，Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ?（１７３８）提出??流体流动的无滑移边界条件受到许多学者的反对（Ｎａｖｉｅｒ，?１８２３，?Ｍａｒｉｅ，丨８８６，??ｒｏｎｙｅｔａｌ．，１８０４），其中，Ｎａｖｉｅｒ?（１８２３）提出了管道内Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ液体流动的线性??移的边界条件假设（如图１．３）。进入２０世纪之后，随着分子动力学方法的成??应用（Ａｌｄｅｒ?ｅｔａｌ．，?１９５７）以及ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ器件的迅速发展，采用分子动力??模拟方法来研宄滑移特性的报道越来越多（Ｇａｄ－ｅｌ?ｈａｌｅ，?１９９９）。??Ｔｈｏｍｐｓｏｎ?ｅｔ?ａｌ＿?（１９８９）应用Ｃｏｕｅｔｔｅ模型研究了两种不相容流体的流动，他??发现在接触线附近无滑移边界不成立。Ｈｅｉｎｂｕｃｈ?ｅｔ?ａｌ．?（１９８９）模拟了单相以及??相流体的Ｃｏｕｅｔｔｅ流动和Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流动，他们发现固液的边界条件与固体表??粒子的粗糙度有关。Ｔｈｏｍｐｓｏｎ?ｅｔａｌ．?（１９９０）模拟了单相流体的Ｃｏｕｅｔｔｅ流动，他??发现边界条件与固液相互作用参数有关。Ｓｕｎ?ｅｔ?ａｌ．?（１９９２）模拟了?Ｌ－Ｊ流体的??ｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流动，他们发现固液相互作用力强时，壁面无滑移，而当固液相互作??力弱时，壁面出现滑移。Ｔｈｏｍｐｓｏｎ?ｅｔａｌ．?（１９９７）使用Ｃｏｕｅｔｔｅ流动展不了滑移??、，
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本文编号：2869931